MXene представляют собой перспективный класс двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов, известных своей высокой электропроводностью, гидрофильностью, механической прочностью и уникальными оптоэлектронными свойствами, которые нашли широкое применение. Однако их масштабируемый синтез в одномерной морфологии, такой как нанотрубки или свитки, пока не был реализован.
Исследователи из Университета Дрекселя, открывшие универсальный тип двумерного проводящего наноматериала под названием MXene почти полтора десятилетия назад, теперь сообщили о процессе производства его одномерного аналога — наноскрутки MXene. Группа учёных утверждает, что эти материалы, которые в 100 раз тоньше человеческого волоса, но при этом более проводящие, чем их двумерные аналоги, можно использовать для повышения эффективности устройств хранения энергии, биосенсоров и носимых технологий.
Их открытие, недавно опубликованное в журнале Advanced Materials, предлагает масштабируемый метод производства наноскроллов из предшественника MXene с точным контролем их формы и химической структуры.
«Двумерная морфология очень важна во многих сферах применения. Однако есть области, в которых одномерная морфология превосходит двумерную», — сказал Юрий Гогоци, заслуженный профессор университета и преподаватель по программе «Бах» в Инженерном колледже Дрексельского университета, один из авторов статьи. «Это всё равно что сравнивать стальные листы с металлическими трубами или арматурой. Листы нужны для изготовления кузовов автомобилей, а для перекачки воды или армирования бетона нужны длинные трубы или стержни».
Скатав двумерные чешуйки MXene в одномерные свитки, команда создала трубчатый материал, который в десять тысяч раз тоньше водопроводной трубы. Он может укреплять полимеры или металлы или направлять поток ионов в батарее или ёмкостной мембране для опреснения воды с гораздо меньшим сопротивлением.
В стандартных 2D-слоях MXenes чешуйки лежат друг на друге, что создаёт замкнутое пространство и затрудняет перемещение ионов или молекул между слоями, — говорит Тенг Чжан, доктор философии, научный сотрудник Инженерного колледжа, который был соавтором исследования. — Преобразуя 2D-нанолисты в 1D-скрутки, мы устраняем этот эффект наноограничения. Открытая трубчатая геометрия эффективно создаёт «магистрали» для быстрого транспорта, позволяя ионам свободно перемещаться».
Подобные структуры из листов графена, называемые углеродными нанотрубками или графеновыми наноскрутками, уже хорошо известны и изучены. Однако, по словам исследователей из Дрексельского университета, до сих пор было сложно производить высококачественные одномерные скрутки из MXene, который обладает более богатым химическим составом, лучшей технологичностью и более высокой проводимостью, чем графен. Предыдущие попытки часто приводили к нестабильным результатам.
Процесс создания наноскруток начинается с получения многослойных чешуек MXene в качестве исходного материала. Строго контролируя химическую среду, исследователи используют воду для изменения химического состава поверхности чешуек. Это создаёт структурную асимметрию, называемую реакцией Януса, которая вызывает деформацию кристаллической решётки в слоях чешуек. Под действием внутренней деформации слои отделяются друг от друга и сворачиваются в плотные трубчатые скрутки.
Команда протестировала этот процесс на шести различных типах MXenes — двух типах карбида титана, карбиде ниобия, карбиде ванадия, карбиде тантала и карбонитриде титана — и успешно получила 10 граммов наноскруток с контролируемым химическим составом и физической структурой.
Помимо превосходной электропроводности и механической прочности, геометрия наноскруток обеспечивает уникальные свойства, которые позволяют использовать их в химических сенсорах и функциональных композитных материалах.
«В стандартной многослойной двумерной структуре активные центры для молекулярной адсорбции часто скрыты между слоями, из-за чего молекулам, особенно крупным биомолекулам, сложно добраться до них, — говорит Гогоци. — Открытая полая структура свитка решает эту проблему, обеспечивая аналитам лёгкий доступ к поверхности MXene. В сочетании с высокой проводимостью и механической жёсткостью материала это гарантирует получение сильного и стабильного сигнала. Таким образом, мы предполагаем использовать свитки в биосенсорике. Та же доступная поверхность проводящих спиралей может быть полезна для газовых датчиков, электрохимических конденсаторов и других устройств, которым необходим доступ ионов и молекул к поверхности.
Исследователи утверждают, что в области носимой электроники или ионотронных устройств свитки MXene могут выполнять двойную функцию: служить как для механического усиления, так и для повышения проводимости. Благодаря своей жёсткой структуре они могут закрепляться в мягкой полимерной матрице, обеспечивая прочность и одновременно поддерживая надёжную проводящую сеть.
Это позволит создавать эластичные композитные материалы, которые будут выдерживать нагрузку при ежедневном использовании, не теряя при этом электрического контакта.
Исследователи также обнаружили, что в растворе ориентацией наноскруток можно управлять с помощью электрического поля. Это открытие означает, что их можно легко ориентировать вдоль оси волокон в функциональном текстиле, чтобы получить более прочное проводящее покрытие.
«Представьте, что вы управляете миллионами трубочек, которые в 100 раз тоньше человеческого волоса, и заставляете их образовывать проволоку или вставать вертикально, образуя щётку, — сказал Чжан. — Это настоящая нанотехнология, ведь мы можем управлять материей на наноуровне. Это также важное достижение для функционального текстиля, поскольку трубочки можно использовать в качестве армирующего материала в синтетических волокнах».
Команда продолжит изучать это контролируемое поведение. Команда также планирует продолжить изучение квантовых свойств материала, в частности его потенциала в области сверхпроводимости.
«До сих пор сверхпроводимость в этом классе MXenes наблюдалась только в спрессованных гранулах из частиц и порошков и никогда не проявлялась в плёнках, полученных методом обработки в растворе и обладающих механической гибкостью, — сказал Гогоци. — Используя скрученные ленты из карбида ниобия, мы впервые наблюдали изменения в материале, достаточные для того, чтобы сверхпроводимость проявлялась в отдельно стоящих макроскопических плёнках. В процессе скручивания возникают специфические деформации и искривления кристаллической решётки, которых нет в плоских листах». Хотя точный физический механизм ещё изучается, мы предполагаем, что эта деформация в сочетании с непрерывной одномерной структурой стабилизирует сверхпроводящее состояние.
Квантовая природа наноматериалов привела к ряду выдающихся открытий в последние годы, поскольку эта область привлекает всё больше внимания благодаря своему потенциалу в увеличении вычислительной мощности и объёма памяти для хранения данных. Для исследователей из Дрексельского университета это исследование стало настоящим прорывом, поскольку оно превращает сверхпроводимость MXene из лабораторной диковинки в практическое свойство наноматериала.
«Используя методы, описанные в этой статье, мы можем изготавливать гибкие плёнки, покрытия или провода из сверхпроводящих MXenes при комнатной температуре для потенциальных сверхпроводящих межсоединений или квантовых датчиков, — сказал Чжан. — Мы ожидаем увидеть множество других интересных явлений, связанных со скроллингом, и собираемся их изучить».